Довгаль пром сети

На вузлах мережі встановлюються або інтелектуальні кінцеві пристрої (датчики та виконавчі механізми), або станції розподіленого вводу / виводу даних, до яких підключаються датчики і виконавчі механізми, що не мають можливості прямого доступу в мережу. Мережеві вузли, як правило, розміщуються в безпосередній близькості від технологічного об'єкта.

Перевагами цифрових промислових мереж в порівнянні з централізованими системами є:

1.Зменшення витрат на впровадження засобів автоматизації за рахунок можливості заміни кілометрів дорогих кабелів на кілька сот метрів дешевої скрученої пари. При цьому скорочуються витрати на тонни міді та допоміжного обладнання (кабельні канали, клеми, шафи).

2.Підвищення надійності, гнучкості та ефективності системи автоматизації, що є прямим наслідком децентралізованої структури.

3.Підвищення інформаційної можливості цифрового каналу передачі даних. Якщо раніше по одній парі проводів можна було отримати тільки одне-єдине поточне значення вимірюваної величини або передати виконавчому механізму одну команду, то тепер кількість переданих даних залежить від "інтелектуальних" можливостей кінцевих пристроїв. Інформаційний канал стає двонаправленим. Найбільш важливим практичним наслідком цієї обставини є можливість здійснення віддаленої параметризації і калібрування кінцевих пристроїв.

Цифрові промислові мережі надають нові концепції інформаційного обміну. Існують три основні режими обміну даними, ефективність використання яких залежить від конкретного завдання:

Режим "Ведучий-ведений" (Master-slave). У цьому режимі один з вузлів мережі є ведучим пристроєм, який послідовно опитує підлеглі вузли. Залежно від змісту запиту ведений вузол або виконує отриману команду, або передає ведучому поточні дані з підключених кінцевих пристроїв. Типовий приклад - мережа PROFIBUS. Як правило, ролі ведучого і веденого закріплюються жорстко і не змінюються в процесі функціонування мережі.

Режим "Клієнт-сервер". Даний режим має багато спільного з попереднім і використовується в системі з гнучким розподілом функцій. Вузол-клієнт запитує дані, а вузол-сервер їх надає. При цьому клієнт може запитувати декілька вузлів, а сервер - мати кілька клієнтів. Функції клієнта і сервера можуть суміщатися на одному вузлі. Прикладом може послужити мережа Foundation Fieldbus.

Режим "Підписка". У цьому режимі вузол, який потребує регулярного надходження будь-якої інформації, підписується на її отримання від іншого вузла. Після чого отримує регулярні розсилки даних без додаткових запитів. Режим має два варіанти. У першому випадку дані передаються циклічно з певним інтервалом незалежно від динаміки інформації.

Удругому випадку дані передаються тільки у разі їх зміни. Цей режим також використовується в мережах Foundation Fieldbus.

Одним з основних критеріїв оцінки систем автоматизації є надійність. Системи, що створюються на базі цифрових промислових мереж, мають незаперечні переваги. Передача в цифровому вигляді малочутлива до перешкод і гарантує доставку інформації завдяки вбудованим в протоколи мережі механізмам контрольних сум, квітування і повтору спотворених пакетів. Вихід з ладу одного вузла не впливає або впливає незначно на відпрацювання технологічних алгоритмів в інших вузлах. Важливим завданням є захист мережі від пошкодження кабельної лінії зв'язку. Для критично важливих технологічних ділянок це завдання вирішується дублюванням лінії зв'язку або наявністю кількох альтернативних шляхів передачі інформації.

20

3.2.2 Основні поняття

Симплексна передача даних (Simplex transmission) - передача даних в одному,

попередньо встановленому напрямку.

Напівдуплексна передача даних (Half-duplex transmission) - передача даних, при якій дані пересилаються в обох напрямках по черзі.

Дуплексна передача даних (Duplex transmission) - передача даних, при якій дані пересилаються одночасно в обох напрямках.

Пакет даних - це основна одиниця інформації в комп'ютерних мережах, передана як єдине ціле між абонентами мережі. Великі блоки переданих даних (наприклад, файли) розділяються на пакети з наступних причин. Великий блок даних, що посилається одним комп'ютером, заповнює мережевий кабель і "зв'язує" роботу всієї мережі, перешкоджаючи взаємодії решти мережевих абонентів. Виникнення помилок при передачі великих блоків призводить до необхідності повторної передачі всього блоку. Використання пакетів дозволяє значно економити час. На комп'ютері-одержувачі пакети накопичуються і шикуються в певному порядку для відновлення початкового виду даних. Формат і розмір пакета залежать від типу мережі.

Контрольна сума пакета (Cyclical Redundancy Check, CRC) - це число, що отримується в результаті математичних перетворень службових даних пакета і початкової інформації. Коли пакет досягає місця призначення, ці перетворення повторюються. Якщо результат збігається з CRC, то пакет прийнято без помилок.

Інтерфейс - опис правил взаємодії двох об'єктів, що виконують різні функції.

3.2.3 Послідовні канали зв'язку

Послідовні канали зв'язку широко використовуються в промислових системах автоматизації. Базовими топологіями при побудові промислових інформаційних мереж на основі послідовних каналів зв'язку є:

-інтерфейс "точка - точка" (Point to Point Interface, PPI);

-багатоточковий інтерфейс (Multi Point Interface, MPI).

Інтерфейс PPI регламентує процедуру обміну даними між двома абонентами (робочою станцією і / або контролерами), які об'єднані в мережу. Прикладом такого інтерфейсу є інформаційна мережа, створена на основі стандарту RS-232C.

Інтерфейс MPI встановлює правила обміну даними між декількома (два і більше) абонентами, об'єднаними в інформаційну мережу. Такі мережі, як правило, створюються на базі стандарту RS-485.

У послідовних каналах зв'язку дані передаються асинхронно. При цьому пакет складається з деякої кількості слів, а кожне слово містить інформаційні та "службові" біти даних. На рис. 3-2 наведена структура слова, використовуваного в каналі зв'язку RS-232C при передачі коду літери "А" (0х41).

Інформації в слові досить для його декодування без окремого сигналу синхронізації. Передані дані доповнюються бітами, що позначають початок і кінець слова, а також бітом для простого контролю помилок за паритетом. Передача ведеться молодшим бітом вперед. Початок слова даних завжди відзначає низький рівень стартового біта. Після нього йдуть 8 біт даних. Біт паритету містить "1" або "0" так, щоб загальна кількість одиниць в групі (8 біт даних плюс біт паритету) була непарною (непарний паритет) або парною (парний паритет). Останніми передаються два стопових біта, представлені високим рівнем напруги.

Т.ч., повне асинхронно передане слово даних складається з 12 біт. Фактично дані містять тільки 8 біт. Решта 4 біта є "службовими".

21

Два стопових біта

Дані (код "А")

Стартовый біт Біт

паритету

Рис. 3-2. ТТЛ-сигнал при передачі коду літери "А" по інтерфейсу RS-232C

3.2.4 Протоколи обміну даними

Протоколи містять опис набору правил для обміну даними між абонентами інформаційної мережі. Визначаються структури (формат) пакетів даних і дисципліна обміну - таймаут, формат слова і кількість повторних спроб передачі пакетів у випадку, коли абонент прийняв спотворений пакет даних або від нього не отримано підтвердження (квитанція) факту прийому поточного пакета даних.

3.2.4.1 Формати пакетів даних для мережі з топологією MPI

Для режиму обміну даними "Ведучий - ведений" задаються формати пакетів, що передаються ведучим і веденим абонентами мережі і формати пакетів-квитанцій. Передбачається, що блок даних який передається може розбиватися на окремі пакети.

Рис. 3-3. Формат пакету даних, переданих ведучим абонентом

22

Приклад формату пакета даних, переданих ведучим абонентом (запит даних у веденого абонента), наведено на рис. 3-3. У цьому пакеті даних байти 1 - 6, N і N + 1 є службовими, а байти 7 - (N-1) - інформаційними.

На рис. 3-4 наведено формат пакета даних, переданих веденим абонентом (відповідь ведучому абоненту на запит значень контрольованих параметрів).

Рис. 3-4. Формат пакету даних, переданих веденим абонентом.

Цей пакет за своєю структурою аналогічний пакету ведучого абонента і відрізняється від нього тим, що введений додатковий байт № 4 для ідентифікації адреси відправника, а також форматом інформаційної частини (байти 8 - (N-1)).

Для підтвердження факту отримання пакету даних абонентом мережі використовуються пакети-квитанції. Вони, як правило, є короткими і складаються з 2 байтів.

Квитанції поділяються на 2 групи:

-абонентом отриманий коректний пакет даних;

-абонентом отриманий спотворений пакет даних.

Приклад формату пакетів-квитанцій наведено на рис. 3-5. Пакети-квитанції передаються як ведучими, так і веденими абонентами мережі.

Рис. 3-5. Формат пакетів-квитанцій

3.2.4.2 Дисципліна обміну даними в послідовному каналі зв'язку

Специфікуючи дисципліну обміну даними, визначають наступні параметри:

-формат слова в пакеті даних;

-тайм-аути;

-кількість повторних спроб передачі пакета.

23

Формат слова в пакеті даних

У форматі слова визначаються значення наступних параметрів:

-кількість інформаційних біт (5, 6, 7, 8);

-кількість СТОП-біт (1; 1,5; 2);

-вид контролю паритету (парний або непарний);

-швидкість обміну даними, біт / сек (наприклад, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 і т.д.).

Тайм-аути

Тайм-аути (часові інтервали) використовуються для визначення факту порушення штатної дисципліни обміну даними в інформаційній мережі. При цьому в специфікації протоколу визначаються наступні інтервали:

t4 - максимальний час очікування ведучим абонентом інформаційного пакета (відповіді)

від веденого абонента ( 5 сек ).

Приклад тайм-аутів, використовуваних при передачі пакетів в інформаційній мережі, наведено на рис. 3-6.

Рис. 3-6. Тайм-аути в процесі передачі пакетів

Кількість повторних спроб передачі пакета даних

У процесі обміну даними з інформаційної мережі можуть виникнути нештатні ситуації, коли, наприклад, абоненту з якої-небудь причини на переданий пакет даних протягом інтервалу часу t 3 не приходить квитанція від одержувача або приходить негативна

квитанція. У цьому випадку виконуються повторні спроби передачі пакета. Кількість таких спроб повинна бути кінцевою (як правило, не більше 3) і обумовлюється в протоколі обміну даними.

Діаграма обміну даними

На рис. 3-7 наведена діаграма обміну даними між двома абонентами цифрової промислової мережі.

З діаграми видно, що в деякий момент часу, ведучий абонент (наприклад, операторська станція) передає веденому абоненту (наприклад, контролеру) пакет-запит ("Запит 1"). На переданий пакет, ведучий абонент протягом часу t 3 очікує квитанцію.

Ведений абонент, отримавши цей пакет, підраховує його контрольну суму. Якщо розрахована контрольна сума збігається із зазначеною в отриманому пакеті, то контролер передає операторської станції позитивну квитанцію ("Квитанція"). В іншому випадку - негативну. Потім протягом часу t4 контролер готує та передає ведучому абоненту пакет-

відповідь на отриманий запит ("Відповідь 1"). 24

положення: "відкритий" (1 - відкритий, 0 - положення "відкритий" не зафіксовано) і "закритий" (1 - закритий, 0 - положення "закритий" не зафіксовано).

3.2.6 Кодування інформаційної частини пакету ведучого абонента

На практиці використовуються різноманітні способи кодування інформаційної частини пакета. Як правило, всі вони припускають завдання двох величин: коду (ідентифікатора) команди і параметра команди. Розглянемо два практичних способи кодування пакета, переданого ведучим абонентом:

-упаковка коду команди і її параметрів в одному байті (слові) з використанням позиційного кодування параметра команди;

-кодування команди і її параметра в послідовних байтах пакета.

3.2.6.1 Упаковка команди і її параметрів в одному байті

Нехай потрібно розробити структуру інформаційної частини пакета для автоматизованої системи, яка управляє двома МЕО і контролює чотири параметри (змінні).

Очевидно, що в такій системі будуть використовуватися три команди:

1)0х1 - Відкрити МЕО.

2)0х2 - Закрити МЕО.

3)0х3 - Повідомити значення змінної.

Як параметри команд будемо використовувати ідентифікатори (коди) МЕО і змінних (представлені в 16-річній системі числення, нотація мови С ++):

1)Коди виконавчих пристроїв: - 0х1 - МЕО № 1; - 0х2 - МЕО № 2.

2)Коди змінних:

-0х1 - змінна 1;

-0х2 - змінна 2;

-0х4 - змінна 3;

-0х8 - змінна 4.

Коди пристроїв і змінних розроблені за принципом позиційного кодування (номер розряду в молодшій тетраді байта "прив'язаний" до одного конкретного пристрою або змінної). Такий спосіб кодування дозволяє однією командою запросити значення необхідної кількості змінних. Враховуючи невелику кількість команд управління і змінних, код команди і її параметри можна упакувати в одному байті. Загальний формат команди ведучого абонента буде виглядати наступним чином:

1Повідомити значення змінної " МЕО № 1 відкритий". Повідомити значення змінної " МЕО № 1 закритий".

2Відкрити МЕО № 3.

Повідомити значення змінної "Температура в точці 6".

3Повідомити значення змінної " МЕО № 2 відкритий". Повідомити значення змінної " МЕО № 2 закритий". Закрити МЕО № 4.

4Повідомити значення змінної " МЕО № 3 відкритий". Повідомити значення змінної " МЕО № 3 закритий". Повідомити значення змінної " МЕО № 4 відкритий".

5Повідомити значення змінної " МЕО № 4 закритий". Повідомити значення змінної "Витрата газу".

6Повідомити значення змінної "Розрідження в точці 1 печі". Повідомити значення змінної "Розрідження в точці 2 печі". Повідомити значення змінної "Температура в точці 1".

7Повідомити значення змінної "Температура в точці 2". Повідомити значення змінної "Температура в точці 3". Повідомити значення змінної "Температура в точці 4".

3.5Зміст звіту

Звіт повинен містити такі відомості:

1.Титульний лист, оформлений в установленому порядку із зазначенням теми лабораторної роботи.

2.Завдання на виконання лабораторної роботи.

3.Опис ходу розробки протоколу обміну даними відповідно до розділу 3.3 цих методичних вказівок.

4.Діаграми обміну даними між операторської станцією і одним з контролерів для штатного режиму і нештатних ситуацій.

5.Робочі пакети ведучого абонента і ведених абонентів.

6.Результати виконання завдання для самостійної роботи.

7.Висновки.

3.6 Приклад розробки протоколу обміну даними

Завдання.

Розробити протокол обміну даними між робочою станцією (ведучий абонент) і контролером (ведений абонент). Відстань між абонентами становить 900 метрів. Технологічним об'єктом є резервуар з технічною водою. Контролер підтримує заданий рівень води в резервуарі. На технологічному об'єкті розміщені наступні кінцеві пристрої:

-датчик рівня (має аналоговий вихідний сигнал);

-водяний насос з електроприводом;

-МЕО (управляє засувкою, встановленою на зливному трубопроводі).

Протокол обміну даними повинен дозволяти здійснювати візуалізацію на екрані дисплея робочої станції параметра "Рівень води в резервуарі", стану електроприводу водяного насоса і положення засувки (закрита - проміжне - відкрита). Крім цього, повинна

29